硅基喇叭封装天线系统集成结构及其制备方法技术方案

本发明专利技术提供了一种硅基喇叭封装天线系统集成结构及其制备方法。该硅基喇叭封装天线系统集成结构包括第一硅基板结构、第二硅基板结构、键合层和至少一个芯片，第一硅基板结构中第一重布线层设置于第一硅基板的一侧，导电通道贯穿第一硅基板并与第一重布线层连接；第二硅基板结构中的第二重布线层位于第二硅基板靠近第一硅基板的一侧，喇叭口结构具有朝远离第一硅基板一侧开口的喇叭口，喇叭口贯穿第二硅基板，且喇叭口结构还具有位于喇叭口中并覆盖第二硅基板的导电层，导电层与第二重布线层连接；键合层设置于第一硅基板结构与第二硅基板结构之间，并分别与第一重布线层和第二重布线层连接；各芯片与第一重布线层或第二重布线层连接。

Integrated structure of silicon-based horn encapsulated antenna system and its preparation method

The invention provides an integrated structure of a silicon-based horn packaging antenna system and a preparation method thereof. The integrated structure of the silicon-based horn packaging antenna system includes the first silicon substrate structure, the second silicon substrate structure, the bonding layer and at least one chip. The first heavy wiring layer in the first silicon substrate structure is arranged on one side of the first silicon substrate, and the conductive channel runs through the first silicon substrate and connects with the first heavy wiring layer. The second heavy wiring layer in the second silicon substrate structure is located near the second silicon substrate. On one side of the first silicon substrate, the trumpet structure has a trumpet opening away from the one side of the first silicon substrate. The trumpet runs through the second silicon substrate, and the trumpet structure also has a conductive layer located in the trumpet mouth and covered with the second silicon substrate. The conductive layer is connected with the second wiring layer. The bonding layer is arranged between the first silicon substrate structure and the second silicon substrate structure, and is separately connected with the first weight. The wiring layer and the second wiring layer are connected; the chips are connected with the first or second wiring layer.

【技术实现步骤摘要】
硅基喇叭封装天线系统集成结构及其制备方法
本专利技术涉及硅基封装技术，具体而言，涉及一种硅基喇叭封装天线系统集成结构及其制备方法。
技术介绍
随着5G通信、微波雷达、汽车雷达、太赫兹(THz)等应用领域的扩展，对电子系统高集成度、轻小型化需求不断提升。特别是应用频率越来越高，封装天线(AiP)技术既可以很好的兼顾天线性能，又能降低体积，相比片上天线又降低了成本，因此为系统级无线芯片提供了良好的天线解决方案。业内相继出现了以谷歌projectsoli手势识别雷达AiP芯片(2015年发布)和Qualcomm28GHzAiP(2017年发布)为代表的产品应用，主要采用贴片天线形式。贴片天线的好处是采用平面工艺，与半导体、基板或PCB工艺兼容，容易实现，但介质和金属损耗影响其在毫米波、太赫兹高频段应用。喇叭天线与贴片天线相比，喇叭天线适用更宽的频带，辐射效率也更高。早期的AiP天线大多基于LTCC结合化合物芯片实现系统集成。NTT成功研发了用于300GHz发射机芯片的AiP结构。该AiP设计采用LTCC工艺，其中喇叭天线尺寸为5×5×2.7mm3，最大实现增益为18dBi，带宽达100GHz。采用LTCC工艺实现的AiP天线采用多层陶瓷片堆叠烧结工艺，并采用金属化的过孔(via)来实现代替传统喇叭内壁金属化。虽然其中的过孔个数与天线辐射效果相关，但受工艺能力限制不能完全满足天线辐射效果要求。且采用陶瓷基板工艺实现的工艺不便于实现3D集成，工艺精度有限，成本也较高。晶圆级技术的引入使得系统更轻，与半导体工艺兼容，更容易实现3D集成。NorthropGrummanCorporation公司2013年报道了采用KOH刻蚀1mm厚的硅片制作喇叭，这种方法制备的侧壁光滑，形成喇叭天线的倾角为54.73度，采用溅射金的方式覆盖于喇叭天线内壁。实现的天线工作在300-360GHz，仿真的增益为12dBi，3dB波束宽度为32度*38度。该天线采用MEMS工艺实现，且金属内壁材料为金，成本较高。而且MEMS工艺下互连线条通常简单，不适合于喇叭天线与芯片高密度集成应用。因此，现有技术中亟需提供一种全新的硅基喇叭封装天线系统集成结构，使其制备工艺能够适用于喇叭天线与芯片高密度集成应用。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种硅基喇叭封装天线系统集成结构及其制备方法，以提供一种适用于喇叭天线与芯片集成的系统集成结构。为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种硅基喇叭封装天线系统集成结构，包括：第一硅基板结构，具有第一硅基板、第一重布线层和导电通道，第一重布线层设置于第一硅基板的一侧，导电通道贯穿第一硅基板并与第一重布线层连接；第二硅基板结构，设置于第一重布线层远离第一硅基板的一侧，第二硅基板结构具有第二硅基板、第二重布线层和喇叭口结构，第二重布线层位于第二硅基板靠近第一硅基板的一侧，喇叭口结构具有朝远离第一硅基板一侧开口的喇叭口，喇叭口贯穿第二硅基板，且喇叭口结构还具有位于喇叭口中并覆盖第二硅基板的导电层，导电层与第二重布线层连接；键合层，设置于第一硅基板结构与第二硅基板结构之间，并分别与第一重布线层和第二重布线层连接；至少一个芯片，设置于第一硅基板结构与第二硅基板结构之间，且各芯片与第一重布线层或第二重布线层连接。进一步地，第二硅基板结构还具有绝缘介质层，绝缘介质层中的至少部分覆盖于导电层的全部表面。进一步地，沿平行于第一硅基板的方向上喇叭口的截面为圆形或正方形。进一步地，第二硅基板结构为多个且沿远离第一硅基板结构的方向依次叠置，各第二硅基板结构中的第二硅基板平行设置，且各第二硅基板结构中的喇叭口的截面尺寸沿远离第一硅基板的方向上依次增大。进一步地，沿平行于第一硅基板的方向上喇叭口的两端具有第一开口截面和第二开口截面，同一个喇叭口的第一开口相对于第二开口靠近第一硅基板设置，沿远离第一硅基板的方向上，后一个喇叭口的第一开口截面的尺寸大于前一个喇叭口的第二开口截面的尺寸。进一步地，第一硅基板靠近第二硅基板的一侧具有凹槽，芯片设置于凹槽中。进一步地，第一硅基板结构还包括：第三重布线层，设置于第一硅基板远离第一重布线层的一侧；焊球，设置于第三重布线层的远离第一硅基板一侧，且焊球通过第三重布线层与导电通道连接。根据本专利技术的另一方面，提供了一种硅基喇叭封装天线系统集成结构的制备方法，包括以下步骤：形成贯穿第一硅基板的导电通道，并在第一硅基板的一侧表面形成第一重布线层，以使第一重布线层与导电通道连接，得到第一硅基板结构；形成贯穿第二硅基板的喇叭口，在喇叭口中形成覆盖第二硅基板的导电层，并在第二硅基板的一侧表面形成第二重布线层，以使导电层与第二重布线层连接，得到第二硅基板结构，喇叭口朝远离第二重布线层的一侧开口；使至少一个芯片与第一重布线层或第二重布线层连接，并将第一重布线层与第二重布线层连接，以使喇叭口位于第二硅基板远离第一硅基板的一侧。进一步地，形成第一硅基板结构的步骤包括：提供第一硅晶圆，第一硅晶圆具有相对的第一表面和第二表面，在第一硅晶圆中形成与第一表面连通的导电孔道，优选形成导电通道的材料为Cu；提供第一硅晶圆，第一硅晶圆具有相对的第一表面和第二表面，在第一硅晶圆中形成与第一表面连通的导电孔道，优选形成导电通道的材料为Cu；沿第二表面减薄第一硅晶圆，以使导电孔道远离第一表面的一端裸露，得到第一硅基板，导电孔道贯穿第一硅基板形成导电通道。进一步地，形成第一硅基板结构的步骤还包括：在导电通道远离第一表面的一侧形成第二层间介质层，并在第一层间介质层中形成布线结构以得到第三重布线层，其中导电通道与第三重布线层连接，优选形成第三重布线层的材料为Cu；在第二层间介质层表面形成与第三重布线层连接的焊球。进一步地，形成第二硅基板结构的步骤包括：提供第二硅晶圆，第二硅晶圆具有相对的第三表面和第四表面，在第二硅晶圆中形成与第三表面连通的喇叭口，并在喇叭口中形成覆盖第二硅晶圆的导电层；形成至少部分覆盖导电层表面的绝缘介质层，并沿第四表面减薄第二硅晶圆，以使绝缘介质层的部分表面裸露，得到第二硅基板，喇叭口贯穿第二硅基板，第二硅基板减薄后的表面与绝缘介质层的裸露表面构成第五表面；在第五表面形成第三层间介质层，并在第三层间介质层中形成布线结构以得到第二重布线层，其中导电层与第二重布线层连接。进一步地，形成第一硅基板结构的步骤还包括形成与第一重布线层连接的第一键合部，形成第二硅基板结构的步骤还包括形成与第二重布线层连接的第二键合部，将第一键合部与第二键合部连接，以使第一重布线层与第二重布线层键合。应用本专利技术的技术方案，提供了一种硅基喇叭封装天线系统集成结构，该结构包括传输线馈入结构、波导模式转换结构和喇叭口辐射结构，其中，第一硅基板结构中的部分第一重布线层作为传输线馈入结构中的高频传输线，剩余第一重布线层、键合层和第二重布线层构成上述波导模式转换结构，键合层用于从高频传输线的TEM模式转换成喇叭天线的主模或高阶模式，波导模式转换结构与传输线馈入结构互连，用于电磁波向喇叭天线的馈入，第二硅基板结构中的喇叭口构成上述喇叭口辐射结构，用于高频电磁波向外辐射。上述系统集成结构实现了喇叭天线与芯片的集成，还能够适用于喇叭天线与芯片高密度集成应用。附图说明本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅基喇叭封装天线系统集成结构，其特征在于，包括：第一硅基板结构(10)，具有第一硅基板(110)、第一重布线层(120)和导电通道(130)，所述第一重布线层(120)设置于所述第一硅基板(110)的一侧，所述导电通道(130)贯穿所述第一硅基板(110)并与所述第一重布线层(120)连接；第二硅基板结构(20)，设置于所述第一重布线层(120)远离所述第一硅基板(110)的一侧，所述第二硅基板结构(20)具有第二硅基板(210)、第二重布线层(220)和喇叭口结构，所述第二重布线层(220)位于所述第二硅基板(210)靠近所述第一硅基板(110)的一侧，所述喇叭口结构具有朝远离所述第一硅基板(110)一侧开口的喇叭口(230)，所述喇叭口(230)贯穿所述第二硅基板(210)，且所述喇叭口结构还具有位于所述喇叭口(230)中并覆盖第二硅基板(210)的导电层，所述导电层与所述第二重布线层(220)连接；键合层(30)，设置于所述第一硅基板结构(10)与所述第二硅基板结构(20)之间，并分别与所述第一重布线层(120)和所述第二重布线层(220)连接；至少一个芯片(40)，设置于所述第一硅基板结构(10)与所述第二硅基板结构(20)之间，且各所述芯片(40)与所述第一重布线层(120)或所述第二重布线层(220)连接。...

【技术特征摘要】
1.一种硅基喇叭封装天线系统集成结构，其特征在于，包括：第一硅基板结构(10)，具有第一硅基板(110)、第一重布线层(120)和导电通道(130)，所述第一重布线层(120)设置于所述第一硅基板(110)的一侧，所述导电通道(130)贯穿所述第一硅基板(110)并与所述第一重布线层(120)连接；第二硅基板结构(20)，设置于所述第一重布线层(120)远离所述第一硅基板(110)的一侧，所述第二硅基板结构(20)具有第二硅基板(210)、第二重布线层(220)和喇叭口结构，所述第二重布线层(220)位于所述第二硅基板(210)靠近所述第一硅基板(110)的一侧，所述喇叭口结构具有朝远离所述第一硅基板(110)一侧开口的喇叭口(230)，所述喇叭口(230)贯穿所述第二硅基板(210)，且所述喇叭口结构还具有位于所述喇叭口(230)中并覆盖第二硅基板(210)的导电层，所述导电层与所述第二重布线层(220)连接；键合层(30)，设置于所述第一硅基板结构(10)与所述第二硅基板结构(20)之间，并分别与所述第一重布线层(120)和所述第二重布线层(220)连接；至少一个芯片(40)，设置于所述第一硅基板结构(10)与所述第二硅基板结构(20)之间，且各所述芯片(40)与所述第一重布线层(120)或所述第二重布线层(220)连接。2.根据权利要求1所述的系统集成结构，其特征在于，所述第二硅基板结构(20)还具有绝缘介质层(240)，所述绝缘介质层(240)中的至少部分覆盖于所述导电层的全部表面。3.根据权利要求1所述的系统集成结构，其特征在于，沿平行于所述第一硅基板(110)的方向上所述喇叭口(230)的截面为圆形或正方形。4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统集成结构，其特征在于，所述第二硅基板结构(20)为多个且沿远离所述第一硅基板结构(10)的方向依次叠置，各所述第二硅基板结构(20)中的所述第二硅基板(210)平行设置，且各所述第二硅基板结构(20)中的所述喇叭口(230)的截面尺寸沿远离所述第一硅基板(110)的方向上依次增大。5.根据权利要求4所述的系统集成结构，其特征在于，沿平行于所述第一硅基板(110)的方向上所述喇叭口(230)的两端具有第一开口截面和第二开口截面，同一个所述喇叭口(230)的所述第一开口相对于所述第二开口靠近所述第一硅基板(110)设置，沿远离所述第一硅基板(110)的方向上，后一个所述喇叭口(230)的所述第一开口截面的尺寸大于前一个所述喇叭口(230)的所述第二开口截面的尺寸。6.根据权利要求1所述的系统集成结构，其特征在于，所述第一硅基板(110)靠近所述第二硅基板(210)的一侧具有凹槽(111)，所述芯片(40)设置于所述凹槽(111)中。7.根据权利要求1所述的系统集成结构，其特征在于，所述第一硅基板结构(10)还包括：第三重布线层(140)，设置于所述第一硅基板(110)远离所述第一重布线层(120)的一侧；焊球(150)，设置于所述第三重布线层(140)的远离所述第一硅基板(110)一侧，且所述焊球(150)通过所述第三重布线层(140)与所述导电通道(130)连接。8.一种硅基喇叭封装天线系统集成结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：形成贯穿第一硅基板(110)的导电通道(130)，并在所述第一硅基...

【专利技术属性】
技术研发人员：李君，戴风伟，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11